袁 亮,顧金才,薛俊華,張向陽

(1.深部煤炭開采與環(huán)境保護國家重點實驗室,安徽淮南 232000;2.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司,安徽淮南 232000;3.總參工程兵科研三所,河南洛陽 471023)

深部圍巖分區(qū)破裂化模型試驗研究

袁 亮1,2,顧金才3,薛俊華1,2,張向陽3

(1.深部煤炭開采與環(huán)境保護國家重點實驗室,安徽淮南 232000;2.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司,安徽淮南 232000;3.總參工程兵科研三所,河南洛陽 471023)

為研究深部巷道圍巖破裂機理,在“深部巷道圍巖破裂機理與支護技術(shù)模擬試驗裝置”進行了模型試驗,系統(tǒng)研究了深部巷道圍巖在最大初始開洞荷載與洞室軸線平行作用下直墻拱頂試驗的破壞形態(tài)和機理。模型試驗表明:當最大主應力與洞室軸線平行,在較大軸向壓力作用下產(chǎn)生較大的朝洞內(nèi)的膨脹變形,使得在圍巖內(nèi)產(chǎn)生較大的徑向拉應變,其產(chǎn)生的拉伸斷裂是出現(xiàn)分層破壞現(xiàn)象的關鍵,分布特點是隨著軸向應力的增加其拉應變值增加,隨距洞壁距離的增大其拉應變值減小。拉伸斷裂面形成后,相當于在原來的介質(zhì)內(nèi)又形成了一個新的半徑增大的洞室,洞室在較大的軸向壓應力持續(xù)作用下,拉伸破壞過程不斷重復出現(xiàn),就會形成交替的破裂區(qū)域和未破裂區(qū)域,即分層破裂現(xiàn)象。

深部巖體;拉伸斷裂;分區(qū)破裂;模型試驗

隨著地下空間開發(fā)應用逐步向深部發(fā)展,深部巖體開挖的力學問題已引起國際巖土工程界的廣泛重視[1-4]。深部開挖巷道圍巖產(chǎn)生呈間隔分布的所謂的“分區(qū)破裂化現(xiàn)象”或“環(huán)帶狀分層破壞現(xiàn)象”的觀點,受到巖石力學界相關專家、學者的極大關注和爭論,并從不同的角度進行了大量的研究工作。

自20世紀七八十年代發(fā)現(xiàn)分區(qū)破裂現(xiàn)象以后,國內(nèi)外許多專家學者就開始研究深部巖石力學問題,其中最具代表性的是俄羅斯E.I.SHEMYAKIN等[4]對分區(qū)破裂現(xiàn)象進行的包括現(xiàn)場深部礦井實驗、實驗室模擬實驗、理論分析等系列研究,發(fā)現(xiàn)在深部礦井開采工作面附近圍巖中呈現(xiàn)出環(huán)帶狀破碎現(xiàn)象,并通過等效材料模型實驗和理論分析,驗證了圍巖中的分區(qū)破裂化現(xiàn)象,給出了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的條件公式[5]。我國也有多位學者對深部開挖問題進行了研究,方祖烈等[6-7]1980—1985年在我國的金川鎳礦區(qū)通過現(xiàn)場量測,發(fā)現(xiàn)深部圍巖變形的力學形態(tài)是拉應變和壓應變交替出現(xiàn)并往深部局部衰減,直至消失。李英杰等[8]指出分區(qū)破裂化的發(fā)生與大采深有關,認為支撐壓力區(qū)的劈裂破壞是巖石分區(qū)碎裂化現(xiàn)象產(chǎn)生的必要條件。錢七虎[9]研究了深部巖體工程響應的特征,界定了“深部”巖體的范圍,對深地下工程建設過程中圍巖出現(xiàn)的交替破裂區(qū)和非破裂區(qū)的新的破壞形態(tài),將其稱之為分區(qū)破裂化現(xiàn)象[10]。顧金才等[11]通過“先開洞,后加載”模型試驗,成功再現(xiàn)了分區(qū)破裂現(xiàn)象,結(jié)果表明,在深部條件下,沿洞室軸向壓應力較大是引起洞室圍巖分區(qū)破裂的根本原因。

本文在“先開洞,后加載”試驗的基礎上[12],應用“深部巷道圍巖破裂機理與支護技術(shù)模擬試驗裝置”進行了系統(tǒng)模型試驗,通過分析荷載施加洞周應變的特征及模型體內(nèi)斷裂絲斷裂過程,全面研究了深部巷道圍巖在最大初始開洞荷載與洞室軸線平行作用下的破壞形態(tài)及機理。

1 試驗概況

模型試驗在總參工程兵科研三所和淮南礦業(yè)集團有限責任公司煤礦瓦斯治理國家工程研究中心聯(lián)合研制的“深部巷道圍巖破裂機理與支護技術(shù)模擬試驗裝置”上進行,試驗裝置如圖1所示。試驗模型體尺寸為長×寬×厚=1 000 mm×1 000 mm×400 mm。

圖1 深部巷道圍巖破裂機理與支護技術(shù)模擬試驗裝置Fig.1 Capacity of deep rock breakagemechanics and supporting techniquemodel test

模型試驗相似問題主要考慮了幾何相似條件和應力相似條件,根據(jù)試驗裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸,選取幾何相似系數(shù)為1∶15,應力相似系數(shù)為1∶20。試驗采用地下工程常用的直墻拱頂形結(jié)構(gòu)形式進行試驗,原型洞室側(cè)墻高度為1 500 mm,拱高為1 500 mm;對應的模型洞室側(cè)墻高度為100 mm,拱高100 mm。原型洞室和模型洞室的尺寸如圖2所示。

圖2 直墻拱頂洞室截面尺寸Fig.2 Section size of uprightall-crown mine

選取水泥∶砂∶水=1∶14∶1.4(質(zhì)量比)的低標號水泥砂漿作為巖體模擬材料,采用分層夯實法成型。模型材料的抗壓強度為2.28 MPa。原巖、要求選用的模擬材料及選定的模擬材料的具體力學參數(shù)見表1。

表1 原型巖體及模型材料力學參數(shù)Table 1 M echanical parameters of prototype rock material and modelm aterial

目前地下洞室的安全穩(wěn)定性的研究方法較多,如鄧聲君等對目前地下洞室穩(wěn)定分析方法進行了總結(jié),并指出,在進行物理模型試驗,設計相似模型時,抓住關鍵的幾項相似性,也就達到了解決實際問題的需求[13],本次試驗主要對抗壓強度、泊松比和彈性模量及內(nèi)摩擦角等力學參數(shù)進行了相似模擬。此外,原型巖體的力學參數(shù)應該具有上、下限值,本文僅取其中間值進行了模擬,模擬值的原型值應該在其上、下限范圍內(nèi)。

模型體分上、下兩片,采用人工夯筑成型。待在下片模型體上表面黏結(jié)完成應變片和斷裂絲后,將上、下兩片模型體黏結(jié)在一起,形成一個整體,然后將模型體吊裝進試驗裝置內(nèi),即可進行試驗。

試驗時,模型體的上、下大面(包含長、寬為1 000 mm的面)水平放置,這樣洞室橫截面呈水平狀,洞室軸線方向在豎直方向,平行于洞室軸線的豎向荷載最大,2個水平方向荷載分別垂直于洞室拱頂和側(cè)墻。在加載過程中,始終保持模型體兩個水平方向的荷載按照與洞軸線平行荷載成1/3的比例,施加至要求荷載,如圖3所示,其中,Pv為拱頂方向壓力;Ph為側(cè)墻方向壓力;Pz為垂直方向壓力;Rc為模型材料單軸抗壓強度。先施加開洞荷載(即開挖洞室時模型體邊界荷載),共分8次均勻施加。形成洞室的原始地應力場。其軸向應力為Pz=4.95 MPa= 2.17Rc。對應于原型洞室,其軸向應力達到99 MPa,拱頂和側(cè)墻方向應力為33 MPa。如果該原型應力場單純由巖體自重產(chǎn)生,則洞室上方巖體的厚度可達2 292 m。

圖3 模型試驗荷載示意Fig.3 Load sketch of testmodel

施加至要求荷載后開挖洞室,分4次全斷面開挖,每次開挖深度為10 cm。在開挖過程中,始終保證邊界荷載等于施加的第8級荷載。洞室開挖完畢后,進行超載破壞試驗,直至最大試驗荷載施加至Pz=9.48 MPa=4.16Rc,洞室破壞。模型施加開洞荷載和超載的具體荷載步見表2。試驗結(jié)束后,在距中間面5 cm的截面將模型體鋸開,觀察洞室周圍的破壞情況。模型洞室的宏觀破壞形態(tài)及洞室典型部位裂縫范圍如圖4,5所示。

2 深部巷道圍巖分層破裂模型試驗研究

模型試驗分為開洞荷載和超載兩步進行,所以對模型開洞荷載施加洞周應變特征和超載過程中洞周應變特征分別進行分析。

表2 模型施加荷載步Table2 Load step on model block MPa

圖4 模型體宏觀破壞形態(tài)Fig.4 Macro fracture shape ofmodel

根據(jù)現(xiàn)場試驗現(xiàn)象及后文所述斷裂絲的破壞過程,可看出洞室圍巖的破壞主要發(fā)生在超載過程(圖4,5)。模型體內(nèi)的應變測點布置如圖6所示。在圖6中,每個側(cè)點布置呈“丁”子狀的2個應變片,分別測量朝向洞室內(nèi)部的徑向應變和平行于洞壁的環(huán)向應變(對于拱頂,是平行于過正拱頂切線方向的環(huán)向應變)。這些應變測點均布置在垂直于洞室軸線的模型體中間水平面上。

將圖4,5與試驗過程中洞周介質(zhì)內(nèi)應變曲線(圖7,8)結(jié)合分析,并重點分析超載完成后洞周的應變。圖7,8中實線為測點測量值連線,虛線為擬合曲線,圖中r/D表示測點距洞壁的距離r與洞室跨度D的比值;應變值正值為受拉,負值為受壓,εr為徑向應變,εθ為環(huán)向應變。

圖5 洞室典型部位裂縫范圍Fig.5 Typical crack scope around mine

圖6 模型體內(nèi)應變測點布置Fig.6 Strain measuring points arrangement in model block

2.1 模型開洞荷載施加洞周應變特征及其分析

在開挖過程中,模型保持開洞荷載時洞周介質(zhì)內(nèi)應變的變化特征如圖7所示。由圖7可知,在模型開挖過程中:

(1)模型洞室開挖后,拱頂部位、側(cè)墻部位和底板下部圍巖內(nèi)的徑向應變均為拉應變,環(huán)向應變多為壓應變。

(2)洞室內(nèi)徑向應變隨距洞壁距離的增大其拉應變值減小。

(3)距洞壁較近處,圍巖變形較為劇烈,測得的應變值變化也較大,且規(guī)律性較差。

2.2 模型超載過程中洞周應變特征及其分析

在超載過程中,模型體洞周介質(zhì)內(nèi)應變的變化特征如圖8所示。

根據(jù)圖4,5,結(jié)合模型超載過程中洞周介質(zhì)內(nèi)應變曲線圖8可知:

(1)模型超載后,洞室圍巖出現(xiàn)環(huán)帶狀分層破壞現(xiàn)象(圖4)。由圖8可知,超載過程中,拱頂部位、側(cè)墻部位和底板下部圍巖內(nèi)的徑向應變均為拉應變,而且拉應變值大小基本上差別不大。

拉伸斷裂面形成后,相當于在原來的介質(zhì)內(nèi)又形成了一個新的半徑增大的洞室,洞室在繼續(xù)增大的軸向壓應力作用下,上述拉伸破壞和剪切破壞過程不斷重復出現(xiàn),就會形成交替的破裂區(qū)域和未破裂區(qū)域的分破壞現(xiàn)象。

可以得出,徑向應變是洞周出現(xiàn)環(huán)狀裂縫的主要原因,其產(chǎn)生的拉伸斷裂是圍巖中出現(xiàn)分層破壞現(xiàn)象的關鍵。

(2)圖5中,底板下部環(huán)狀裂縫的范圍最大為120 mm;而拱頂上部的環(huán)狀裂縫范圍最小為60 mm,側(cè)墻部位裂縫范圍居中60～80 mm。這是由于底板下部模型體內(nèi)的徑向拉應變值大于拱頂上方和側(cè)墻部位對應的徑向拉應變值,側(cè)墻部位徑向拉應變值大于拱頂上部對應位置處的徑向拉應變值,定量可以看出,裂縫的范圍與徑向拉應變值成正比。

(3)超載過程中,洞壁周圍巖體隨著荷載的增大,不斷進入破壞狀態(tài),因此,測得的洞周應變值規(guī)律性較差,甚至有些點的應變值是不可信的,如底板下部中間點測得的環(huán)向應變值。在數(shù)據(jù)整理過程中可以將其剔除。

(4)隨著平行于洞室軸線方向荷載的增加,環(huán)帶狀破壞范圍擴大,但分層破壞現(xiàn)象并不是無限制擴大。相關研究表明[14],當形成的新斷裂面足夠大時,再向外擴展時,最終介質(zhì)內(nèi)最大徑向拉應變值會小于材料的極限拉應變,使得分層破壞現(xiàn)象被限制在一定范圍以內(nèi)。

(5)圖4中,在底板拱腳附近產(chǎn)生了多條滑移線性破壞。其原因是洞壁拱腳附近,因曲率半徑小,介質(zhì)處于環(huán)向壓應力大、徑向應力很小的應力狀態(tài),巖體可能達到極限應變形成滑移線性破壞。圖7(e), (f)中,在r/D＜0.2范圍內(nèi),環(huán)向應變絕對值遠大于徑向應變絕對值,證實了這一點。

圖7 模型開洞后介質(zhì)內(nèi)應變曲線Fig.7 Strain curves afterm ine excavation

(6)由圖5從割裂體寬度及距洞壁距離關系來看,拱頂距洞壁距離較近處割裂體寬度5 mm,距洞壁距離遠處割裂體寬度35 mm;側(cè)墻相對應分別為3,17 mm;底板則為10,33mm。再加上圖7,8中徑向拉應變值均隨距洞壁距離的增大而減小。可以看出隨距洞壁距離的增大,剪切破裂帶越寬,圍巖的徑向應變越小。

2.3 模型體內(nèi)斷裂絲斷裂過程及其分析

為了在試驗過程中監(jiān)控洞室圍巖內(nèi)裂縫的發(fā)展過程,在模型體內(nèi)垂直于洞軸線的中間截面上,圍繞洞室布置了3條斷裂絲,如圖9所示。這些應變測點均布置在垂直于洞室軸線的模型體中間水平面上。

斷裂絲是由能導電且易斷裂的碳棒制作,通過斷裂絲斷裂顯示裝置(圖10),得到模型在加載過程中斷裂監(jiān)測帶上各點的斷裂狀態(tài),該點指示燈亮表示該點所處范圍破裂,指示燈滅表示該點所處范圍沒有斷裂或閉合。斷裂絲是本試驗的創(chuàng)新之一,形象地反映出圍巖介質(zhì)內(nèi)的破壞過程和破壞范圍。試驗過程中,模型斷裂絲斷裂顯示如圖10所示,斷裂過程見表3。

圖9 洞室周圍斷裂絲布置Fig.9 Breakage filament arrangement in model block

圖10 模型體內(nèi)斷裂絲斷裂顯示Fig.10 The display of fracture in model block

表3 模型斷裂絲斷裂過程Table 3 The process of fracture in model block

通過圖7,8,10和表3可以看到:

(1)模型開挖時,底板下1燈和2燈亮(圖10)。說明在開挖時,因為底板曲面半徑小,所受到的環(huán)向應力大,巖體先達到極限應變形成滑移線性破壞。

(2)超載過程中,由表3可得洞室底板下圍巖最先斷裂破壞,斷裂深度最大;然后是側(cè)墻部位,拱頂以上圍巖最晚破壞,斷裂深度最小。這是由于底板下部模型體內(nèi)的徑向拉應變值大于拱頂上方和側(cè)墻部位對應的徑向拉應變值,側(cè)墻部位徑向拉應變值大于拱頂上部對應位置處的徑向拉應變值。從側(cè)面證實了徑向拉應變是洞周出現(xiàn)裂縫的根本原因。

(3)由表3及圖10可得在超載結(jié)束時,拱頂上方巖體內(nèi)斷裂絲間隔斷裂,底板下方巖體內(nèi)斷裂絲也間隔斷裂,但裂縫間割裂體內(nèi)又連續(xù)斷裂;側(cè)墻部位巖體內(nèi)裂縫基本上是連續(xù)斷裂。

結(jié)合圖8可以看出,進入初始破壞狀態(tài)時,拱頂徑向應變、側(cè)墻徑向應變以及底板徑向應變均處于受拉狀態(tài),其徑向拉應變值大于開挖后對應位置的應變值,拉應變值隨距洞壁距離的增大而減小。

表3中數(shù)據(jù)表明,因其徑向拉應變值大于開挖后對應位置的應變值,所以最遠裂縫距洞壁距離先是逐漸增大(20 mm→50 mm→70 mm→90 mm),但因拉應變值隨距洞壁距離的增大而減小,使得距離又減小,即上述裂縫間割裂體內(nèi)又連續(xù)斷裂。

3 結(jié) 論

(1)開洞后,拱頂、底板和側(cè)墻附近模型體介質(zhì)內(nèi)徑向應變均為拉應變,且在洞壁附近最大,然后快速減小;拱頂和底板環(huán)向應變?yōu)閴簯?絕對值隨距洞壁距離的增大而減小,開洞后繼續(xù)加載,這兩處的徑向應變和環(huán)向應變分布規(guī)律基本不變,但絕對值增大。開挖后,側(cè)墻環(huán)向應變在洞壁附近為壓應變,遠處為拉應變,開挖后繼續(xù)加載,側(cè)墻環(huán)向應變?nèi)珵閴簯?絕對值隨距洞壁距離的增大而減小,徑向應變分布規(guī)律不變,但絕對值增大。

(2)最大荷載平行于洞室軸線方向,能夠出現(xiàn)分區(qū)破壞現(xiàn)象,洞室內(nèi)徑向拉應變是洞周出現(xiàn)環(huán)狀裂縫的根本原因。當洞周徑向應變大于介質(zhì)極限拉應變時,材料產(chǎn)生拉伸裂縫。拉伸斷裂面形成后,相當于在原來的介質(zhì)內(nèi)又形成了一個新的半徑增大的洞室,當軸向壓應力繼續(xù)增大,又在該新洞室周圍出現(xiàn)拉伸裂縫。這樣洞室在較大的軸向壓應力及卸荷作用下,上述拉伸破壞和剪切破壞過程不斷重復出現(xiàn),就會形成交替的破裂區(qū)域和未破裂區(qū)域的分破壞現(xiàn)象。

(3)巷道底板下圍巖最先斷裂破壞,斷裂深度最大;然后是側(cè)墻部位,拱頂以上圍巖最晚破壞,斷裂深度最小。拱頂上方巖體內(nèi)裂縫間割裂體寬度較大;與之相比,底板下方巖體裂縫間割裂體寬度較小;側(cè)墻部位巖體內(nèi)裂縫間割裂體寬度較小,但寬度較為平均,基本上是連續(xù)斷裂。

(4)在“先加載,再開洞,再超載”的條件下,本次試驗首次得到了洞室周圍產(chǎn)生的分區(qū)破裂化現(xiàn)象,結(jié)合相關學者進行的“先開洞,后加載”所得到的相關成果,可以認為:無論洞室圍巖應力場是開洞前施加還是開洞后施加的,只有在最大壓力平行于巷道軸線條件下,才能在洞周圍巖體內(nèi)才產(chǎn)生環(huán)形、分層斷裂形態(tài)。

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Model test research on the zonal disintegration in deep rock

YUAN Liang1,2,GU Jin-cai3,XUE Jun-hua1,2,ZHANG Xiang-Yang3

(1.State Key Laboratory ofDeep Coal Mining&Environment Protection,Huainan 232000,China;2.Huainan Mining Group Co.,Ltd.,Huainan 232000, China;3.The Third Engineer Scientific Research Institute of the Headquarters of the General Staff,Luoyang 471023,China)

The“capacity of deep rock breakagemechanics and supporting techniquemodel test”was used to research themechanism of zone disintegration within surrounding rock ofmine in deep stratum,and the failure state and principle of the uprightwall-crown section mine bearingmaximum load that paralleling themine axis line was systematically studied.Themodel test results show that themajor radial tension strain following tension breakage in country rock is the key factor of generation of zonal disintegration aroundmine when the country rock is in dilatancy state,and the distribution characteristic of radial tension strain is that the stain value is increasingwith the axial load raising and is decreasing with the distance from mine wall increasing.A new equivalent radius enlargedmine is emerged after the tension breakage face is formed,and in the persistencemajor axial load state,the broken zone and unbroken zone that is zone disintegration can be generated in countrymine rock with the tension breakage appearing interactively.

deep rock;tension breakage;zonal disintegration;model test

TD313

A

0253-9993(2014)06-0987-07

袁 亮,顧金才,薛俊華,等.深部圍巖分區(qū)破裂化模型試驗研究[J].煤炭學報,2014,39(6):987-993.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0085

Yuan Liang,Gu Jincai,Xue Junhua,et al.Model test research on the zonal disintegration in deep rock[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(6):987-993.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0085

2014-01-17 責任編輯:常 琛

袁 亮(1960—),男,安徽金寨人,中國工程院院士。E-mail:yuanl_1960@sina.com